Künstlich konstruierte biologische Prozesse wie Wahrnehmungssysteme bleiben ein schwer fassbares Ziel für organische Elektronikexperten, da menschliche Sinne in einem adaptiven Netzwerk sensorischer Neuronen angewiesen sind, die durch Feuer auf Umweltstimuli kommunizieren.
Eine neue Zusammenarbeit zwischen der Northwestern University und der Georgia Tech hat ein neues Potential für das Feld freigeschaltet, indem ein neuartiges organisches elektrochemisches Neuron mit leistungsstarken organischen Neuronen geschaffen wurde, das innerhalb des Frequenzbereichs menschlicher Neuronen reagiert. Sie bauten auch ein vollständiges Wahrnehmungssystem auf, indem sie andere organische Materialien entworfen und ihre technischen Neuronen mit künstlichen Touch-Rezeptoren und -Synapsen integrierten, was eine taktile Echtzeit-Signalerfassung und -verarbeitung ermöglichte.
Die Forschung, die in einem in diesem Monat im Journal veröffentlichten Artikel beschrieben wurde Proceedings der National Academy of Sciences (PNAs)Könnte die Nadel auf intelligente Roboter und andere Systeme bewegen, die derzeit durch Erfassungssysteme behindert werden, die weniger leistungsfähig sind als die eines Menschen.
„Die Studie zeigt erhebliche Fortschritte bei der organischen Elektronik und deren Anwendung bei der Überbrückung der Lücke zwischen Biologie und Technologie“, sagte der Erstautor Yao Yao, ein Professor für Nordwesten. „Wir haben ein effizientes künstliches Neuron mit reduziertem Fußabdruck und herausragenden neuronalen Eigenschaften erstellt. Durch die Nutzung dieser Fähigkeit haben wir ein vollständiges taktiles neuromorpHes Wahrnehmungssystem entwickelt, um reale biologische Prozesse nachzuahmen.“
Nach Angaben des korrespondierenden Autors Tobin J. Marks, Charles E. von Northwestern und Emma H. Morrison Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences, neigen bestehende künstliche Neuralkreise in einem engen Frequenzbereich.
„Das synthetische Neuron in dieser Studie erzielt eine beispiellose Leistung in der Feuerfrequenzmodulation und bietet einen 50 -mal breiteren Bereich als bestehende organische elektrochemische neuronale Schaltkreise“, sagte Marks. „Im Gegensatz dazu bilden die herausragenden neuronalen Eigenschaften unseres Geräts eine fortschrittliche Leistung bei organischen elektrochemischen Neuronen.“
Marks ist weltweit führend in den Bereichen Organometallische Chemie, chemische Katalyse, Materialwissenschaft, organische Elektronik, Photovoltaik und Nanotechnologie. Er ist außerdem Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen und Professor für chemische und biologische Ingenieurwesen an der McCormick School of Engineering im Nordwesten und als Professor für angewandte Physik. Sein Mitkreuztemacher Antonio Facchetti, Professor an der School of Materials Science and Engineering der Georgia Tech, fungiert ebenfalls als außerordentlicher Professor für Chemie bei Northwestern.
„Diese Studie präsentiert das erste vollständige neuromorphe taktile Wahrnehmungssystem, das auf künstlichen Neuronen basiert, das künstliche taktile Rezeptoren und künstliche Synapsen integriert“, sagte Facchetti. „Es zeigt die Fähigkeit, taktile Stimuli in Echtzeit in spitzen neuronale Signale zu kodieren und sie weiter in postsynaptische Reaktionen zu übersetzen.“
Das Team umfasste Abteilungen und Schulen mit Forschern, die sich auf die organische Synthese spezialisierten, die fortschrittliche Materialien erstellten, die Forscher elektronischer Geräte dann in die Schaltungsdesign und -herstellung sowie die Systemintegration einbezogen haben.
Mit dem riesigen Netzwerk des menschlichen Gehirns von 86 Milliarden Neuronen, die dem Feuer vorhanden sind, sind die Sensingsysteme weiterhin schwer nachzubilden. Wissenschaftler sind sowohl durch den Fußabdruck des Designs als auch durch die Menge, die sie schaffen können, begrenzt. In zukünftigen Modellen hofft das Team, die Größe des Geräts weiter zu reduzieren und das Projekt einen Schritt näher zu bringen, um die menschlichen Erfassungssysteme vollständig nachzuahmen.
Diese Arbeit wurde vom Air Force Office of Scientific Research (FA9550-22-1-0423), dem Northwestern University Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC; Award der National Science Foundation DMR-230869), Flexterra Corporation, The National Science, unterstützt Fonds für angesehene junge Gelehrte Chinas (Nr. 32425040) und die National Natural Science Foundation of China (Zuschuss Nr. 32201648).
